DE3844020C2 - Displacement sensors with mechanical gear links - Google Patents

Displacement sensors with mechanical gear links

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Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Wegfühler der Gattung nach Patentanspruch 1.The invention relates to a displacement sensor of the type Claim 1.

Solche Wegfühler sind als Baugruppen von Regel-, Steuer- und Absperrarmaturen bekannt und haben sich in der Praxis vielfach bewährt. Ihre Aufgabe besteht in der Regel darin, die geradlinige Bewegung der Antriebsstange eines Aktuators, z. B. eines Ventilantriebes zu erfassen und an eine zentrale Überwachungsstelle zu melden. Dies geschieht bisher z. B. mittels Differential-Transformatoren oder Schiebepotentio­ metern, bei denen die geradlinige Bewegung der Antriebsstange mittels geradgeführter Teile des Meßsystems, wie durch den Kern oder den Schleifer, erfaßt wird. Die Meßgröße, d. h. der Weg s, wird dabei mit ausreichender Genauigkeit linear infolge der Amplituden- bzw. der Widerstandsänderung in ein entsprechendes elektrisches Signal umgewandelt; vgl. Ch. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI Verlag Düsseldorf, 1967 Seiten 187-189 und 446/447.Such displacement sensors are designed as assemblies of control and and shut-off valves are known and have been in practice proven many times. Your job is usually to the linear movement of the actuator stem, e.g. B. a valve actuator and to a central Report to the monitoring body. So far this has been done e.g. B. by means of differential transformers or sliding potentio meters, in which the linear movement of the drive rod by means of straight parts of the measuring system, as by the Core or the grinder, is detected. The measurand, d. H. of the Path s becomes linear with sufficient accuracy due to the change in amplitude or resistance in one corresponding electrical signal converted; see. Ch. Rohrbach, Manual for electrical measurement of mechanical quantities, VDI Verlag Düsseldorf, 1967 Pages 187-189 and 446/447.

Diese geradgeführten Meßsysteme haben jedoch für den praktischen Einsatz, insbesondere bei rauhen Umgebungsbe­ dingungen, wie in der verfahrenstechnischen Industrie, einige gravierende Nachteile. So ist z. B. eine Geradführung nur recht aufwendig gegen Feuchtigkeit und Staub so abzudichten, daß eine entsprechende Lebensdauer oder die gewünschte Anzahl von Bewegungen sicher erreicht wird. Außerdem ist eine mechanische Anpassung an den Wegmeßbereich nicht möglich, so daß bei reduzierten Meßbereichen mit schlechteren technischen Daten, - insbesondere hinsichtlich der Linearität, der Auflösung u. a. - gerechnet werden muß.However, these straight-line measuring systems have for the practical use, especially in harsh environments conditions, such as in the process engineering industry, some serious disadvantages. So z. B. straight line only  to seal against moisture and dust that a corresponding lifespan or the desired number of movements is safely achieved. Besides, one is mechanical adaptation to the measuring range is not possible, so that with reduced measuring ranges with poorer technical Data, especially with regard to linearity, Resolution u. a. - must be expected.

Aus diesen Gründen haben sich Meßsysteme mit drehender Eingangsbewegung durchgesetzt. Dabei wird die geradlinige Bewegung, z. B. der vorerwähnten Ventilstange, über einen Stift und einen Hebel in eine entsprechende Winkelbewegung umgewandelt; Ch. Rohrbach, Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen, VDI Verlag Düsseldorf, 1967, S. 446 "Kombinationsgeber".For these reasons, measuring systems with rotating Entry movement enforced. The straight line Movement, e.g. B. the aforementioned valve rod, via a Pen and a lever in a corresponding angular movement converted; Ch. Rohrbach, manual for electrical measurement of mechanical Sizes, VDI Verlag Düsseldorf, 1967, p. 446 "combination transmitter".

Diese Winkelbewegung der Welle wird auf einfache Art und Weise mittels eines Rundschnurringes oder eines O-Ringes sehr langlebig und schmutzunempfindlich realisiert. Auch sind hierfür kapazitive Aufnehmer, Drehmelder, Drehpotentiometer usw. bekannt.This angular movement of the shaft is simple and Way with a round cord ring or an O-ring made durable and insensitive to dirt. Also are capacitive transducers, resolvers, rotary potentiometers etc. known.

Nachteilig bei diesen Systemen ist aber die Tatsache, daß der Schwenkwinkel der Hebelwelle linear als elektrische Ausgangsgröße abgebildet wird und nicht die geradlinige Bewegung der Ventilstange.A disadvantage of these systems is the fact that the Swivel angle of the lever shaft linear as electrical Output size is shown and not the straightforward Movement of the valve stem.

Zwischen dem translatorischen Weg s und dem Winkel ϕ der Meßwelle besteht bekanntlich der ZusammenhangBetween the translational path s and the angle ϕ As is known, there is a connection between the measuring shaft

wenn R der Abstand des punktförmig gedachten Auflagestiftes von der Drehachse ist und der Hebel für s=0 senkrecht zur Antriebsstange steht. if R is the distance between the point pin from the axis of rotation and the lever for s = 0 is perpendicular to Drive rod is standing.  

Die der arc-sin-Funktion entsprechende Nichtlinearität ist jedoch für viele Anwendungsfälle nicht akzeptabel. Eine entsprechende elektrische Kompensation ist aufwendig.The non-linearity corresponding to the arc-sin function is however not acceptable for many applications. A appropriate electrical compensation is expensive.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wegmeßsystem für geradlinige Bewegungen zu schaffen, das trotz Hebelanlenkung und Drehdurchführung in ein Gehäuse ein lineares Meßsignal ergibt, ohne daß eine besondere mechanische und/oder elektrische Linearisierung vorzunehmen ist.The invention is therefore based on the object To create a measuring system for linear movements, the despite the lever linkage and rotating union in a housing linear measurement signal results without a special mechanical and / or electrical linearization is.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by the Features of claim 1 solved.

Erfindungsgemäß wird also ein Sensor verwendet, dessen elektrische Ausgangsgröße gerade wieder der Umkehrfunktion des Hebelsystems, also gerade der Sinusfunktion entspricht. Vorteilhafterweise besteht ein derartiges System aus zwei Magneten und einem Hall-Sensor. Hall-Sensoren sind an sich bekannt, vgl. H. Völz, Elektronik, 1. Auflage, Berlin 1979, S. 247-251.According to the invention, a sensor is therefore used, the electrical output variable just the reverse function of the lever system, that is to say corresponds precisely to the sine function. Such a system advantageously consists of two Magnets and a Hall sensor. Hall sensors are in themselves known, cf. H. Völz, Electronics, 1st edition, Berlin 1979, pp. 247-251.

Bei derartigen Sensoren ist die Ausgangsspannung UH, nämlich die Hall-Spannung entsprechend der GleichungIn such sensors, the output voltage is U H , namely the Hall voltage according to the equation

UH ∼ I · B (Gl. 2)U H ∼ I · B (Eq. 2)

proportional dem Produkt aus Strom I und magnetischer Induktion B. proportional to the product of current I and magnetic Induction B.  

Wird das Hall-Plättchen entsprechend der Erfindung für s=0 mit seiner wirksamen Fläche parallel zu der magnetischen Induktion Bo im Feld befestigt, so verändert sich die wirksame Komponente der Induktion Beff entsprechend der GleichungIf the Hall plate according to the invention for s = 0 is fixed in the field with its effective area parallel to the magnetic induction B o , the effective component of the induction B eff changes according to the equation

Beff = Bo · sin ϕ. (Gl. 3)B eff = B o · sin ϕ. (Eq. 3)

Damit wirdSo that will

und damitand thus

Da = const ist, ist sofort zu erkennen, daß das Ausgangssignal UH direkt proportional zum Weg s ist.Since = const, it can be seen immediately that the output signal U H is directly proportional to the path s.

Nach einer Weiterbildung der Erfindung können anstatt eines Hall-Sensors auch andere Sensoren verwendet werden, sofern diese die geforderte Eigenschaft bezüglich der Winkelfunktion aufweisen, z. B. optische, also Bestrahlungs-Sensoren.According to a development of the invention, instead of one Hall sensors also use other sensors, provided this the required property with regard to the angular function have, e.g. B. optical, ie radiation sensors.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further features of the invention result from the Subclaims.

Zwar ist durch die DE 35 10 252 A1 bereits ein Hall-Sensor als Lagegeber für einen hydraulischen Arbeitszylinder bekanntgeworden, der in einem die Kolbenstange umgebenden Gehäuse angeordnet ist, das auf das kolbenseitige Ende des Arbeitszylinders aufgesetzt wird. Da bei dieser Anordnung mechanische Getriebeglieder, die eine Schwenkbewegung ausführen, fehlen, treten dort die der Erfindung zugrundelie­ gende Probleme nicht auf.DE 35 10 252 A1 already has a Hall sensor as position transmitter for a hydraulic working cylinder become known, in a surrounding the piston rod Housing is arranged that on the piston end of the Working cylinder is placed. Because with this arrangement mechanical transmission links that have a pivoting motion  execute, are missing, there occur the basis of the invention problems.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert.The invention is based on one in the drawing illustrated embodiment explained.

Es zeigtIt shows

Fig. 1 den Funktionsaufbau eines Wegfühlers mit einem mechanische Getriebeglieder aufweisenden nichtlinearen Bewegungswandler und eines angelenkten Signalgebers, gemäß der Erfindung, Fig. 1 shows the functional structure of a Wegfühlers with a mechanical transmission link having non-linear motion converter and a hinged signal generator according to the invention,

Fig. 2 den schematischen Aufbau eines als Signalgeber dienenden Hall-Sensors, Fig. 2 shows the schematic structure of a serving as a signal transmitter Hall sensor,

Fig. 3 die konstruktive Ausgestaltung eines als Signalgeber dienenden Hall-Sensors in Frontansicht, Fig. 3 shows the structural design of serving as a signal transmitter Hall sensor in front view,

Fig. 4 den Hall-Sensor teilweise geschnitten in Seitenansicht und Fig. 4 shows the Hall sensor partially in side view and

Fig. 5 den Hall-Sensor nach Fig. 3 teilweise geschnitten in Draufsicht. Fig. 5 shows the Hall sensor of Fig. 3 partially cut in plan view.

Zum besseren Verständnis der Erfindung sei vorab anhand der in den Fig. 1 und 2 dargestellten prinzipiellen Anordnung das zu lösende Problem beschrieben. For a better understanding of the invention, the problem to be solved is described in advance with reference to the basic arrangement shown in FIGS. 1 and 2.

Der Wegfühler besteht aus einer Antriebsstange 1 (Fig. 1), einem Signalgeber 2 (Fig. 2) und einem Hebel 3. Das eine Ende des Hebels 3 liegt im dargestellten Beispiel mit einem daran befestigten Auflagestift unter Spannung einer Feder auf einer Führungsbahn auf, die senkrecht zur Achse der Antriebsstange 1 verläuft und die Position der Antriebsstange 1 definiert. Mit dem anderen Ende des Hebels 3 ist starr die drehbar gelagerte Meßwelle 6 des Signalgebers 2 verbunden, die um den Schwenkwinkel ϕ des Hebels 3 gegenüber der Senkrechten auf die Achse der Antriebsstange 1 verdreht ist, wenn die Antriebsstange 1 aus der durch diese Senkrechte definierten Nullage um die Strecke s verschoben ist. Der Signalgeber 2 gibt demgemäß den Drehwinkel der Meßwelle und somit den Schwenkwinkel ϕ des Hebels 3 nicht aber ein dem Verschiebeweg s der Antriebsstange 1 lineares Ausgangssignal als Meßsignal ab.The displacement sensor consists of a drive rod 1 ( FIG. 1), a signal transmitter 2 ( FIG. 2) and a lever 3 . One end of the lever 3 lies in the example shown with a support pin attached to it under tension of a spring on a guideway which runs perpendicular to the axis of the drive rod 1 and defines the position of the drive rod 1 . To the other end of the lever 3 which is rotatably mounted measuring shaft 6 is rigidly of the signal generator 2 is connected, which is about the pivot angle φ of the lever 3 relative to the perpendicular to the axis of the drive rod 1 twisted, when the drive rod 1 defined from the through this vertical zero position is shifted by the distance s. The signal generator 2 accordingly gives the angle of rotation of the measuring shaft and thus the pivoting angle ϕ of the lever 3, but not a linear displacement signal s of the drive rod 1 as a measuring signal.

Zwischen dem translatorischen Weg s und dem Winkel ϕ der Meßwelle besteht gemäß Fig. 1 der eingangs erwähnte ZusammenhangAccording to FIG. 1, the relationship mentioned at the beginning exists between the translational path s and the angle ϕ of the measuring shaft

wenn R der Abstand des (punktförmig gedachten) Auflagestiftes auf der Auflagebahn von der Drehachse der Meßwelle ist und wenn der Hebel 3 für s=0 senkrecht zur Antriebsstange 1 steht.if R is the distance of the (pinpointed) support pin on the support track from the axis of rotation of the measuring shaft and if the lever 3 for s = 0 is perpendicular to the drive rod 1 .

Um die der arc-sin-Funktion entsprechende Nichtlinearität zu kompensieren, ist ein nichtlinearer Sensor als Signalgeber verwendet, dessen elektrisches Ausgangssignal sich in umgekehrter Weise zum Bewegungswandler und somit nach dem sin ϕ ändert. To the non-linearity corresponding to the arc-sin function compensate, is a non-linear sensor as a signal generator used, whose electrical output signal is in in the opposite way to the motion converter and thus according to the sin ϕ changes.  

Ein solcher Signalgeber besteht, wie Fig. 2 zeigt, aus den beiden Magnetpolen 7 und 8 und dem dazwischenliegenden Hall- Sensor 9, der mit der Meßwelle 6 des Signalgebers 2 in Fig. 1 verbunden und um den Drehwinkel ϕ verdreht ist. Als Ausgangsspannung wird die HallspannungSuch a signal transmitter consists, as shown in FIG. 2, of the two magnetic poles 7 and 8 and the intermediate Hall sensor 9 , which is connected to the measuring shaft 6 of the signal transmitter 2 in FIG. 1 and rotated by the angle of rotation ϕ. The Hall voltage becomes the output voltage

UH ∼ I · B (2)U H ∼ IB (2)

geliefert, die somit dem Produkt aus Strom und magnetischer Induktion proportional ist.delivered, which is the product of electricity and magnetic Induction is proportional.

Wird das Hall-Plättchen entsprechend dem Erfindungsgedanken für s=0 mit seiner wirksamen Fläche parallel zu der magnetischen Induktion Bo im Feld befestigt, so verändert sich die wirksame Komponente Beff der Induktion Bo gemäß Fig. 2 nach der Gleichung (3)If the Hall plate is fixed in the field with its effective area parallel to the magnetic induction B o in accordance with the inventive idea for s = 0, the effective component B eff of the induction B o according to FIG. 2 changes according to equation (3)

Beff = Bo · sin ϕ.B eff = B o · sin ϕ.

Damit wirdSo that will

und damitand thus

Da = const ist, kann man erkennen, daß das Ausgangssignal UH direkt proportional zum Weg s ist. Auch für den Fall, daß der Hebel 3 über einen direkt an der Antriebsstange 1 befestigten Stift angelenkt wird, führt ein Sensor der vorgeschlagenen Art zu einer merklichen Verringerung des Linearitätsfehlers. Dann gilt allerdingsSince = const, it can be seen that the output signal U H is directly proportional to the path s. In the event that the lever 3 is articulated via a pin attached directly to the drive rod 1 , a sensor of the proposed type leads to a noticeable reduction in the linearity error. Then, however, applies

wenn L der zur Bewegungsrichtung senkrechte Abstand zwischen dem Angriffspunkt des Stiftes und der Drehachse der Meßwelle ist. Diese Funktion wird durch den Sinus-Verlauf des eigentlichen Sensors zwar nicht vollständig kompensiert, doch ist der Fehler in jedem Falle wesentlich geringer als bei einem Sensor mit linearer Zuordnung des Winkels ϕ zum Ausgangssignal.if L is the distance between the point of application of the pin and the axis of rotation of the measuring shaft is. This function is supported by the sine curve of the actual sensor not fully compensated, but the error is in any case much smaller than with a sensor with linear assignment of the angle ϕ to Output signal.

In den Fig. 3 bis 5 ist eine konstruktive Ausführung eines realisierten Sensors dargestellt. Dabei steht die Hall-Platte 9 fest, da sie durch eine vorgespannte Feder 10 über einen Trägerhebel 11 an einen ortsfesten Anschlag 12 im nur angedeuteten Gehäuse 13 gedrückt wird. Die Drehbewegung des nicht dargestellten Meßhebels wird hier über die Meßwelle 6, auf der ein glockenförmiger Träger 15 mittels eines Flansches 16 befestigt ist, auf die Magnete 17, 18 übertragen. In der Mittelstellung verlaufen erfindungsgemäß die Feldlinien der Magnete 17 und 18 parallel zur wirksamen Oberfläche der Hall- Platte 9.In FIGS. 3 to 5 a constructive embodiment is shown of a realized sensor. The Hall plate 9 is fixed since it is pressed by a prestressed spring 10 via a support lever 11 against a stationary stop 12 in the housing 13, which is only indicated. The rotary movement of the measuring lever, not shown, is transmitted here to the magnets 17, 18 via the measuring shaft 6 , on which a bell-shaped carrier 15 is fastened by means of a flange 16 . In the middle position, the field lines of the magnets 17 and 18 run parallel to the effective surface of the Hall plate 9 .

Durch diese kraftschlüssige Halterung des Hall-Platten-Trägers wird auf einfache Weise eine wirksame Temperatur- Kompensation erreicht.This non-positive mounting of the Hall plate carrier effective temperature is easily Compensation reached.

Claims (4)

1. Wegfühler mit nichtlinear arbeitenden mechanischen Getriebegliedern (1, 4) zum Umformen einer linearen Bewegung einer Antriebsstange (1), z. B. eines Antriebes für Regel-, Steuer- oder Absperrarmaturen, in eine entsprechende Drehbewegung, und mit einem Signalgeber (2), der ein der Drehbewegung entsprechendes elektrisches Signal erzeugt, wobei als Signalgeber (2) ein Hallgeber (2) dient, dessen Nichtlinearität der Nichtlinearität der mechanischen Getriebeglieder (1, 4) zwecks Kompensation der Nichtlinearität der Getriebeglieder (1, 4) entgegengesetzt ist, so daß das elektrische Signal direkt proportional zum Weg der linearen Bewegung ist.1. displacement sensor with non-linear mechanical transmission members ( 1, 4 ) for reshaping a linear movement of a drive rod ( 1 ), for. B. a drive for regulating, control or shut-off valves, in a corresponding rotary movement, and with a signal generator ( 2 ) which generates a rotary signal corresponding to the electrical signal, the Hall sensor ( 2 ) serving as the signal generator ( 2 ), its non-linearity the non-linearity of the mechanical transmission members ( 1, 4 ) for the purpose of compensating for the non-linearity of the transmission members ( 1, 4 ) is opposite, so that the electrical signal is directly proportional to the path of the linear movement. 2. Wegfühler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hallgeber (2) aus einer Hall-Platte (9) und zwei Magneten (7, 8, 17, 18) besteht, wobei entweder die Hal-Platte (9) gegenüber den beiden feststehenden Magneten (7, 8) oder die beiden Magnete (17, 18) gegenüber der feststehenden Hall-Platte (9) verdrehbar angeordnet sind und daß die beiden Magnete (7, 8, 17, 18) so angeordnet sind, daß in der neutralen Mittelstellung der Hall-Platte (9) deren wirksame Fläche parallel zu den magnetischen Feldlinien zwischen den beiden Polen der Magnete (7, 8, 17, 18) ausgerichtet ist. 2. Position sensor according to claim 1, characterized in that the Hall sensor ( 2 ) consists of a Hall plate ( 9 ) and two magnets ( 7, 8, 17, 18 ), either the Hal plate ( 9 ) relative to the two fixed magnets ( 7, 8 ) or the two magnets ( 17, 18 ) are rotatably arranged relative to the fixed Hall plate ( 9 ) and that the two magnets ( 7, 8, 17, 18 ) are arranged so that in the neutral Middle position of the Hall plate ( 9 ) whose effective surface is aligned parallel to the magnetic field lines between the two poles of the magnets ( 7, 8, 17, 18 ). 3. Wegfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlung der geradlinigen Bewegung der Antriebsstange (1) in eine Drehbewegung der Hall-Platte (9) mittels eines am Hallgeber (2) angeordneten und über einen Abtaststift (4) an die Antriebsstange (1) angelenkten oder auf der Antriebsstange (1) abgestützten Hebel (3) erfolgt.3. Displacement sensor according to claim 2, characterized in that the conversion of the linear movement of the drive rod ( 1 ) into a rotary movement of the Hall plate ( 9 ) by means of a on the Hall sensor ( 2 ) and via a stylus ( 4 ) to the drive rod ( 1 ) articulated or supported on the drive rod ( 1 ) lever ( 3 ). 4. Wegfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hall-Platte (9) auf einem an einer Meßwelle (6) drehbeweglichen Trägerhebel (11) gelagert ist, der kraftschlüssig (Anschlag 12, Feder 10) in seiner Ruhelage gehalten ist.4. displacement sensor according to claim 2, characterized in that the Hall plate ( 9 ) on a on a measuring shaft ( 6 ) rotatable support lever ( 11 ) is mounted, which is held in a non-positive manner (stop 12 , spring 10 ) in its rest position.
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